强化层扩散连接制备Fe₃Al/Al复合结构的方法

专利名称：强化层扩散连接制备Fe₃Al/Al复合结构的方法
技术领域：
本发明涉及金属材料加工领域，具体为有色金属的焊接技术，尤其是有色金属间 的扩散连接方法，具体是强化层扩散连接制备 ^3Α1/Α1复合结构的方法。
背景技术：
结构材料是现代工业领域的重要基础，其性能决定了工业装备的水平。新型有色 金属材料是重要的一类材料。铝合金是目前工业领域广泛采用的有色金属，具有低密度、 高比强度、易加工等特点。！^e3Al是一种新型的有色金属，具有较高的比强度、优良的耐磨 性和耐腐蚀等特性，是航空航天、汽车、化工等领域极具潜力的材料。将I^e3Al和Al合金连 接起来，可以充分利用I^e3Al的高强度、耐磨性和Al合金的优良塑性，得到综合性能优异的 Fe3AVAl复合结构。此外，Fe3Al合金和Al合金都具有较好的耐腐蚀性能，因此i^e3Al/Al 复合结构在腐蚀环境下服役的可靠性也较好。目前!^e3Al常用的连接方法主要是焊条电弧焊、钨极氩弧焊、电子束焊和扩散焊。 采用TIG焊和电子束焊焊接!^e3Al时，容易产生热裂纹。为了避免产生热裂纹，应当控制 焊材中的B、Zr、Mo等元素，而增加Cr、Nb、C等碳化物形成元素。但是B、Zr、Mo等元素是 Fe3Al合金常用的强韧化元素。采用焊条电弧焊和钨极氩弧焊焊接!^e3Al时容易出现冷裂纹 问题。空气中的水汽在高温下分解出原子氢，可以直接和熔池中的Al反应生成原子氢，是 Fe3Al合金熔化焊时产生冷裂纹的主要因素之一。Fe3Al合金的热导率小、热膨胀系数大，在 熔化焊过程中容易在接头区域形成较大的残余应力，有助于氢的扩散、聚集。因此，在!^e3Al 合金与异种材料(如Q235、CrlS-NiS等)连接时主要采用的是扩散焊。扩散焊时存在的 主要问题是难以得到微观组织结构均勻过渡的界面区，在界面区往往容易出现高硬度脆性 相，导致接头区的力学性能恶化。目前还没有将I^e3Al合金和Al合金连接制备!^e3AVAl复 合结构的报道。Fe3Al和Al合金的物理化学性质之间存在显著的差异，这使得 ^3Α1和Al合金 在扩散焊过程中容易产生应力，使界面处形成裂纹。为此，必须采用一定的工艺措施强化 Fe3Al和Al合金的扩散焊接。经对现有技术的文献检索发现，周媛等申请的两项发明专利“一种低温真空扩散 连接钛合金的方法(申请号20081017M68.幻”和“一种以薄膜为中间层进行高温合金真 空扩散连接的方法(申请号20081017M71. 5) ”提出在工件表面采用磁控溅射方法制备薄 膜的方式改善钛合金或者高温合金的扩散焊接。采用磁控溅射的方法制备薄膜具有以下不 足首先是溅射出薄膜面积受磁控靶面积的限制；其次是磁控溅射过程比较复杂；最后是 磁控溅射的设备价格较高。

发明内容
本发明旨在提供一种利用强化层扩散连接!^e3Al合金和Al合金，制备i^e3Al/Al复 合结构的方法。
本发明针对增强!^e3Al合金和Al合金的扩散焊接，提出了一种采用表面塑性变形 的方式，用喷丸或表面机械研磨在合金表面制备强化层，然后以强化层作为中间层进行扩 散连接，得到 ^3Α1/Α1复合结构。这种强化层扩散连接制备!^e3AVAl复合结构的方法，包括以下步骤(1)对!^e3Al或者Al合金进行表面塑性变形，在表面制备由超细晶或者纳米晶构 成的强化层；强化层厚度10 30um，纳米晶粒径20 50nm ；超细晶的粒径100 120nm。在!^e3Al或者Al合金表面制备强化层的方式是喷丸或者表面机械研磨，采用直径 2 8mm的钢球喷丸5 20min，或者直径2 8mm的钢球表面机械研磨5 20min。对未经过表面塑性变形的Al合金或!^e3Al合金的表面进行机械清理和化学清洗 并干燥；可用砂纸逐级打磨后，可再用醇类(如乙醇)或者丙酮清洗后吹干；所用的!^e3Al合金中，！^e的原子百分比为65 75%，Al的原子百分比为22 28% ；Al合金中Al的重量百分比为99. 0 99. 9% ；(2)将!^e3Al合金和Al合金工件用压头压紧，以强化层作为中间层，放置在真空室 中进行扩散连接，采用的扩散焊工艺参数为500 640°C下保温30 90min Je3Al合金和 Al合金所受压力15 20MPa，真空度为KT2Pa KT3Pa ；加热过程中为了获得均勻的温度分布，采用5 10°C /min的加热升温速度和台阶 式加热方式，即分别在195 205°C和395 405°C下保温8 15min ；达到保温时间后，将真空室冷却到80 110°C后将工件取出，得到!^e3AVAl复合 结构。!^e3Al合金与Al合金之间的界面处形成厚度约10_30 μ m的过渡层，接头处没有裂 纹形成。本发明的特点是采用喷丸或者表面机械研磨的方式在!^e3Al或者Al合金表面通 过塑性变形制备强化层，强化层与基体的结合性能良好。以强化层作为强化扩散的中间层， 强化 ^3Α1/Α1异种金属扩散焊接，可以降低扩散焊时所需要的压力，缩短扩散焊接头形成 所需要的时间。借助强化层中纳米晶或者超细晶的快速扩散通道，可以加快原子的扩散，实 现I^e3Al合金与Al合金的快速扩散焊接调节接头中界面过渡区的相构成。此外，该方法操 作简单，处理时间短，设备投资小，对材料前期的表面处理要求较低。
具体实施例方式实施例1(I)Fe3Al合金和Al合金的预处理取化学成分为73i^e-25Al-2Cr at. %的!^e3Al合金，表面未经机械清理直接进行表 面塑性变形，用直径2 8mm钢珠，表面机械研磨15min可以在!^e3Al合金表面制备得到厚 度10 30 μ m的强化层，强化层表层的晶粒为粒径20 50nm的纳米晶。1060A1合金(Al 99. 6wt% )的表面采用200Cw、400Cw和600Cw水砂纸逐级打磨。 再将!^e3Al合金和Al合金表面分别用乙醇(或丙酮)进行化学清洗后吹干。(2)将!^e3Al合金和Al合金工件用压头压紧，强化层作为中间层位于!^e3Al合金和Al合金工件之间，放置在真空室中进行扩散焊。采用的扩散焊工艺参数为550°C下保温90min，Fe3Al合金和Al合金所受压力为 19MPa，真空度10_2Pa 10 .加热的升温速度10°C /min，加热过程中分别在200°C和 400°C保温 IOmin。达到保温时间后，通过水循环冷却，将真空室冷却到100°C时，将Fe3AlZAl复合结 构接头取出。用扫描电镜对!^e3AVAl接头的观察显示，形成了厚度11_30 μ m的过渡层，过渡层 与!^e3Al和Al合金的基体结合良好，接头处没有裂纹形成。实施例2(1)取化学成分为73Fe-25Al_2Cr at. %的!^e3Al合金，表面未经机械清理直接 进行表面塑性变形，用直径2 8mm钢珠喷丸5min，可以在!^e3Al合金表面得到厚度10 30 μ m的强化层，强化层表层局部为粒径为100 120nm的超细晶，其余部分为粒径20 50nm的纳米晶。1060A1合金(Al 99. 6wt% )的表面采用200Cw、400Cw和600Cw水砂纸逐级打磨。
再将!^e3Al合金和Al合金表面分别用乙醇(或丙酮)进行化学清洗后吹干。(2)将 ^3Α1合金和Al合金工件用压头压紧，强化层作为中间层位于 ^3Α1合金 和Al合金工件之间，放置在真空室中进行扩散焊。采用的扩散焊工艺参数为640°C下保温30min，Fe3Al合金和Al合金所受压力为 19MPa,真空度10’a 10_3Pa。加热的升温速度5°C /min,加热过程中分别在200°C和400°C 保温IOmin。达到保温时间后，通过水循环冷却，将真空室冷却到100°C时，将Fe3AlZAl复合结 构接头取出。用扫描电镜对!^e3AVAl接头的观察显示，形成了厚度11_22 μ m的过渡层，过渡层 与!^e3Al和Al合金的基体结合良好，接头处没有裂纹形成。
权利要求
1.强化层扩散连接制备!^3AVAl复合结构的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)对!^e3Al或者Al合金进行表面塑性变形，在表面制备由超细晶或者纳米晶构成的 强化层；对未经过表面塑性变形的Al合金或!^e3Al合金的表面进行机械清理和化学清洗并干 燥；用砂纸逐级打磨后，再用醇类(如乙醇)或者丙酮清洗后吹干；(2)将!^e3Al合金和Al合金工件用压头压紧，以强化层作为中间层，放置在真空室中进 行扩散连接，采用的扩散焊工艺参数为500 640°C下保温30 90min，Fe3Al合金和Al 合金所受压力15 20MPa，真空度为KT2Pa KT3Pa ；(3)达到保温时间后，将真空室冷却到80 110°C后将工件取出，得到!^e3AVAl复合 结构。
2.权利要求1所述强化层扩散连接制备 ^3Α1/Α1复合结构的方法，其特征在于，步骤 (1)中所述的强化层厚度10 30um，纳米晶粒径为20 50nm ；超细晶粒径为100 120nm。
3.权利要求1所述强化层扩散连接制备!^e3AVAl复合结构的方法，其特征在于，步骤 (1)中所述在!^e3Al或者Al合金表面制备强化层的方式是喷丸或者表面机械研磨。
4.权利要求3所述强化层扩散连接制备!^e3AVAl复合结构的方法，其特征在于，采用 直径2 8mm的钢球喷丸5 20min。
5.权利要求3所述强化层扩散连接制备!^e3AVAl复合结构的方法，其特征在于，采用 直径2 8_的钢球表面机械研磨5 20min。
6.权利要求1所述强化层扩散连接制备 ^3Α1/Α1复合结构的方法，其特征在于，步骤(1)所述机械清理为用砂纸逐级打磨，所述化学清洗使用的溶剂为醇类或丙酮。
7.权利要求1所述强化层扩散连接制备 ^3Α1/Α1复合结构的方法，其特征在于，所述 Fe3Al合金中，!^e的原子百分比为65 75%，Al的原子百分比为22 观％。
8.权利要求1所述强化层扩散连接制备 ^3Α1/Α1复合结构的方法，其特征在于，所述 Al合金中Al的重量百分比为99.0 99.9%。
9.权利要求1所述强化层扩散连接制备 ^3Α1/Α1复合结构的方法，其特征在于，步骤(2)所述加热升温速度为5 10°C/min,并分别在95 205°C和395 405°C下保温8 15min。
全文摘要
本发明公开了一种强化层扩散连接制备Fe3Al/Al复合结构的方法。用喷丸或表面机械研磨在合金表面制备超细晶或者纳米晶构成的强化层，然后以强化层作为中间层进行扩散连接，得到Fe3Al/Al复合结构，Fe3Al合金与Al合金之间的界面处形成厚度约10-30μm的过渡层，接头处没有裂纹形成。该方法操作简单，处理时间短，设备投资小，对材料前期的表面处理要求较低。
文档编号B23K20/24GK102069295SQ201010580640
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者任江伟, 徐培全, 韦媛 申请人:上海工程技术大学